Papa, ¿Y qué es la electricidad?

Si, sé que he hablado antes de electrónica básica, e incluso llegué a exponer la ley de Ohm. Pero hoy voy a hacer un regreso a algo todavía más básico que eso. Hoy voy a tratar de exponer algunos de los fundamentos más básicos de la electricidad.

Esta entrada de hoy la he desarrollado atendiendo al reclamo de todos aquellos miles y miles de comentarios (¿¿¿ :-D ???) que me estáis poniendo en cada una de las entradas pidiéndome que explique fundamentos más básicos.

He de decir y advertir que al poco que tengas una pequeña base de electrónica esta entrada de hoy te será completamente inútil y no te aportará nada en absoluto. Por el contrario, si te estás asomando por primera vez a este mundillo puede que te ayuda a clarificar algún concepto. Por otra parte también pido disculpas a aquellos entendidos del tema que tras leer esta entrada puedan evidenciar pequeñas confusiones o directamente monumentales falacias argumentales. El objetivo que tengo no es hacer definiciones categóricas, sino solo facilitar con algún que otro ejemplo el entendimiento elemental de la electricidad. Y empiezo…

Carga eléctrica

Lo primero a entender, creo yo, es que todo en este mundo tiene una determinada carga eléctrica. Es sencillo. Estamos hechos de átomos que tienen electrones y protones (entre otros bichillos…). Cada elemento básico (de aquellos de la tabla periódica de elementos), tiene una diferente carga eléctrica, y la combinación de esos elementos (en una manzana, un humano, un robot exterminador, o un kilo de plutonio) proporciona a cada cuerpo una diferente carga eléctrica (y no vayas a pensar que la carga eléctrica de esa combinación es la suma de las cargas individuales, es bastante más complejo el tema).

Diferencia de potencial (Voltaje - V)

Atendiendo a lo anterior todos los cuerpos tienen un potencialeléctrico, la diferencia de potencial (también llamada tension, o voltaje) puede entenderse como la diferencia de carga eléctrica (en realidad potencial eléctrico) entre dos cuerpos. El voltaje se mide en voltios (volts), y típicamente se representa con una letra ‘V’ (como la de los lagartos…).
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Dado que todos los cuerpos y cosas del mundo mundial tienen potencial eléctrico (bueno, ignoro si hay algunas cosas que no lo tienen, como la materia oscura, o como Justin Bieber…) pues entonces existe la posibilidad de medir esa diferencia de potencial de los cuerpos, cosa que puede hacerse con un tester.

Corriente eléctrica (Intensidad - I)

Que haya una diferencia de potencial eléctrico entre dos cuerpos no significa necesariamente que haya corriente eléctrica entre ellos. Por ejemplo, entre la pantalla de mi portátil y el plato de sopa que ha dejado mi nene debe haber alguna diferencia de potencial, pero sin embargo no hay corriente entre ellos. Cuando entre cuerpos con diferencias de potencial se produce una conexión eléctrica entre ellos (por ejemplo, se conecta un cable) se produce un flujo de carga eléctrica (electrones) entre el cuerpo que tiene una carga mayor y el que tiene una menor. Ese flujo eléctrico es lo que se llama intensidad, y suele representarse por la letra ‘I’ y medirse en amperios.
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La corriente eléctrica se produce entre un “emisor” de electrones (que llamaremos positivo ‘+’) y un receptor de electrones (que llamaremos negativo ‘-’, masa, o tierra). Cuando no hay un punto concreto negativo respecto al que considerar el positivo, se considera que el negativo es cero, o masa (Ground o GND en inglés), y se asocia a una conexión a tierra (que se toma como 0 voltios, siempre respecto al positivo).

Cuando se produce este flujo, y si no hay oposición que lo impida, este flujo de corriente seguirá en el tiempo hasta que la diferencia de potencial entre los dos puntos llegue a cero (es decir ambos puntos origen y destino tengan el mismo potencial eléctrico). En ese momento cesará la corriente. Por supuesto, si tenemos un elemento generador de corriente (como por ejemplo una pila) que mantenga una diferencia de potencial estable entre dos puntos (borne positivo y borne negativo), la corriente seguirá circulando estable y la diferencia de potencial permanecerá hasta que se agote dicha fuente generadora de corriente, la diferencia de potencial entre bornes pase a cero, y por lo tanto deje de haber corriente eléctrica.

Resistencia eléctrica (Resistencia - R)

La resistencia eléctrica es la oposición que deben vencer los electrones para poder desplazarse a través de un conductor, es decir es la oposición que encuentra la corriente eléctrica en su paso por un conductor. La resistencia se suele representar por la letra ‘R’, y se mide en ohms (ohmios) que se representan a su vez con el símbolo (Ω).

Así podemos entender que un conductor eléctrico es un elemento (o cosa) que ofrece una baja resistencia al paso de la electricidad. En general los metales (cobre, hierro, oro, etc…) suelen ser buenos conductores, y con ellos se fabrican cables. El agua es también buen conductor. Por el contrario el plástico, la madera, el aire o tantos otros son malos conductores, ya que ofrecen una muy alta resistencia eléctrica (que podría tender al infinito).

Comprendiendo la ley de Ohm

Como puede intuirse la resistencia R es inversamente proporcional a la Intensidad I. A una mayor resistencia habrá una menor intensidad, y a una mayor intensidad, se encontrará una menor resistencia. Fijaros que en este supuesto el voltaje permanece invariable (siempre que haya un elemento generador eléctrico), es decir, tanto si la resistencia es infinita (y por lo tanto no hay ninguna intensidad –no hay corriente eléctrica-), como si la resistencia es cero (y por tanto hay corriente –flujo de electrones-), el voltaje permanece fijo.

Esto nos lleva a la ley de Ohm:

•  que dice: V = I * R

• pero también puede expresarse como: I = V / R

• o como: R = V / I

Es decir, a mayor resistencia menor intensidad, a mayor intensidad menor resistencia. O lo que es lo mismo a igual resistencia pero mayor intensidad, significa que el voltaje entre los puntos (a un lado y al otro de la resistencia) es mayor, o que a la misma intensidad pero con una resistencia mayor significa que también el voltaje entre los dos puntos era mayor. La ley de Ohm es la base de toda la electrónica y se utilizará continuamente, de ahí a que sea muy necesario que estos conceptos estén muy claros.

El ejemplo de las bañeras de agua

Para ilustrar un poco todo lo anterior (y entenderme que es solo un ejemplo ilustrativo, pero no es científicamente equivalente), podéis imaginaros dos estanques de agua de las mismas dimensiones que están puestos uno al lado del otro al mismo nivel. Sin embargo uno tiene una masa de agua mucho mayor que el otro.

Podríamos (haciendo una serie de falacias argumentales) hacer una equivalencia imaginativa suponiendo que esta masa de agua es algo así como el potencial electrito que contiene la bañera. Las dos bañeras tienen diferente cantidad de agua, por lo tanto en nuestro ejemplo imaginativo es como si tuvieran diferente potencial eléctrico. Es decir, hay una diferencia (imaginativa) de potencial entre las dos.

Ahora suponemos que ponemos en la parte inferior de las bañeras un conducto o tubo de agua que las conecta. Está claro que la bañera con más carga de agua (eléctrica, en nuestra imaginación) transferirá parte de su carga a la bañera que tenga menos. Es decir, se producirá una corriente de agua (imagina corriente eléctrica) entre las dos bañeras. Esta corriente se seguirá produciendo hasta que las dos bañeras tengan la misma masa de agua, es decir, cuando la diferencia de masa (potencial eléctrico) sea cero. En ese momento dejara de haber flujo de corriente entre las dos. Por supuesto que si la bañera con más carga tuviera un grifo permanentemente abierto proporcionándole agua (es decir, un generador de corriente) el flujo seguiría produciéndose eternamente…

En este ejemplo el conductor (tubo de agua) tiene también una resistencia. Puede ser un tubo muy grueso y por lo tanto el intercambio de corriente se produce casi al instante, la resistencia es muy baja;  o un tubo finito lleno de piedras, arena y calamares en su tinta que dificulten el paso del agua. Aun así, si dicho paso es posible aunque sea gota a gota, el flujo de corriente seguirá produciéndose pero está claro que a menor intensidad. Hemos aumentado la resistencia, y por lo tanto ha bajado la intensidad.

Y cuando el cielo nos caiga sobre la tierra

Y ahora otro pequeño ejemplo gráfico para ilustrar todo esto.
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De todos es sabido que el aire no es un buen conductor eléctrico (no te “picas” cuando pasas por al lado de un enchufe). Sin embargo es posible que en ciertas condiciones especiales, y tras una gran diferencia de potencial entre diferentes elementos (nubes con altas cargas electromagnéticas producidas por la acumulación de agua, corrientes de aire de diferentes temperaturas, y otros efectos atmosféricos) sean capaces de vencer la resistencia del aire al quedar este ionizado. Es entonces cuando vemos que toda la diferencia de potencial entre nubes, o entre estas y la tierra produce esas maravillas que son los rayos y que no dejan de ser una descarga eléctrica por un elemento (el aire) que debido a la ionización se ha convertido momentáneamente en un conductor de electricidad, siempre que hayan realmente diferencias de potenciales muy fuertes entre el origen (nubes) y el destino (otras nubes o la tierra).

Arduino básico. ¿Como empezar?

Ya se, ya se que en estos primeros posts (y quizás en todos los demás) voy saltando de un tema a otro sin un aparente orden o concierto. Pero creerme  sí que lo hay (o no). El orden que sigo es el que yo mismo me voy buscando, de temáticas diferentes pero siempre con el objetivo de aprender y facilitar que mi nene (o quien lea este blog) pueda ir aprendiendo pausadamente y desde la base sin demasiado encasillamiento en un tema concreto.

Arduino es una maravilla. Paradigma del hardware libre, nos facilita todo un ordenador en la palma de la mano. No es un ordenador de sobremesa o portátil como estamos acostumbrados a ver, pero si es todo un ordenador en el sentido de contener una CPU, una memoria, entradas y salidas digitales y analógicas, y capacidad de programarse.

Cualquier "cosa" externa al Arduino con la que queramos que interactue necesitará no solo de saber programarlo, sino de la necesidad de entrar en temas de electrónica, y por lo tanto hardware. Y es que un robot es eso, hardware y software.

Manos a la obra!. Seguidamente vamos a ver como empezar a utilizar Arduino.

NOTA: Este primer ejemplo básico, y casi todo lo que aquí se condensa en pocos pasos, ha sido obtenido directamente de la propia web de Arduino, tanto de la versión en Español como en la Inglesa.

1 - Adquirir una placa Arduino. De cualquier modelo. Yo uso una Arduino UNO.

2 - Conectar la Placa al puerto USB del ordenador. Esto proporciona alimentación a la Placa (seguramente se encenderá alguna lucecita por ahi), y por tanto alimentará también a los componentes que conectes a ella. Pero no te confíes, la alimentación no te dará mucha potencia, con lo que si quieres conectar varios cacharrillos necesitaras alimentarlos externamente con pilas.

3 - Descargar sofware de aquí. Descargar y luego instalar, claro.

4 - Abrir entorno IDE de Arduino. Tras instalar aparecerá un entorno IDE como este:

5 - Configurar entorno para el acceso a Arduino. Lo primero que hay que hacer es:

• Ir al menú de Herramientas>Tarjetas y seleccionar el modelo de tarjeta Arduino. Como he dicho en mi caso es Arduino UNO. 
• Ir al menú de Herramientas>Puerto Serial y seleccionar el puerto serie al que esta conectado la placa Arduino. En un Windows puedes tratar de buscar esto yendo al Administrador de Dispositivos de Windows y abrir la opción de ver los puertos COM, como la imagen siguiente, donde se ve que en mi caso se me ha conectado al puerto COM10. Y si no, pues pruébalos todos hasta que funcione... :-)

6 - Cargar el primer ejemplo básico: Blink. Ir al menú Archivo>Ejemplos>01.Basics>Blink.
Este ejemplo simplemente hace parpadear a un LED. Pero claro, hay que conectar el LED. Considerar también que el lenguaje de programación de Arduino esta basado en C/C++, aunque también se puede utilizar otros como Scratch.

7 - Conectar un LED al Arduino. Aquí podéis ver un ejemplo tanto "real" como en plan esquemático de donde y como hay que conectar el LED. Si tenéis Arduino conectado por USB y el LED no va a estar encendido mucho rato, podéis probar sin poner en medio la resistencia, y cruzar los dedos para que el LED no se estropeé a la primera...

Recordar que la pata larga del LED es el positivo (y por lo tanto va al PIN 13 de Arduino, en este ejemplo), y la corta es el negativo y va al PIN GND (ground, toma de tierra).

8 - Cargar el programa al Arduino. Ya esta todo listo. Tenemos nuestro Arduino encendido, con el LED conectado, el IDE en marcha y configurado con el programa Link en pantalla. Solo queda cargar ese programa al Arduino. Para esto, y si todo esta bien, solo hay que darle al icono del entorno IDE del Arduino.

Y ya esta!!!. Felicidades!!!. Si todos los pasos han salido bien el LED empezará a parpadear. Misión cumplida. De ahí a construir el robot que ha de aniquilar a toda la humanidad ya solo queda conectar algunos cables y componentes más y tirar unas cuantas más lineas de código... ;-D